【正文】 超標(biāo)量、超流水線處理機(jī)的 CPI已經(jīng)達(dá)到 ，實際上用 IPC (Instruction Per Cycle)更確切。 RISC的關(guān)鍵技術(shù) 延時轉(zhuǎn)移技術(shù) 定義： 為了使指令流水線不斷流，在轉(zhuǎn)移指令之后插入一條不相關(guān)的有效的指令，而轉(zhuǎn)移指令被延遲執(zhí)行，這種技術(shù)稱為延遲轉(zhuǎn)移技術(shù)。 采用指令延遲轉(zhuǎn)移技術(shù)時，指令序列的調(diào)整由編譯器自動進(jìn)行。 F E F E F E F E 1: add r1, r2 2: jmp next2 3: next1: sub r3, r4 …… n: next2: move r4, a 產(chǎn)生轉(zhuǎn)移地址 指令作廢 重新取指令 因轉(zhuǎn)移指令引起的流水線斷流 F E F E F E 1: jmp next2 2: add r1, r2 3: next1: sub r3, r4 …… n: next2: move r4, a 產(chǎn)生轉(zhuǎn)移地址 插入指令 重新取指令 采用指令延遲轉(zhuǎn)移技術(shù) 的指令流水線 采用延遲轉(zhuǎn)移技術(shù)的兩個限制條件 (1) 被移動指令在移動過程中與所經(jīng)過的指令之間不能有數(shù)據(jù)相關(guān) (2) 被移動指令不破壞條件碼，至少不影響后面的指令使用條件碼 如果找不到符 合 條件的指令，必須在條件轉(zhuǎn)移指令后面插入空操作；如果指令的執(zhí)行過程分為多個流水段，則要插入多條指令 調(diào)整前的指令序列： 1: move r1, r2 2: cmp r3, r4 。(r3)與 (r4)比較 3: beq exit 。如果 (r3)＝ (r4)則轉(zhuǎn)移到 next 4: add r4, r5 …… n: next: move r4, a 調(diào)整后的指令序列： 1: cmp r3, r4 。(r3)與 (r4)比較 2: beq exit 。如果 (r3)＝ (r4)則轉(zhuǎn)移到 next 3: move r1, r2 4: add r4, r5 …… n: next: move r4, a 指令取消技術(shù) 采用指令延時技術(shù)，在許多情況下找不到可以用來調(diào)整的指令；分為三種情況： (1) 向后轉(zhuǎn)移（循環(huán)程序） 實現(xiàn)方法：循環(huán)體的第一條指令經(jīng)調(diào)整后安排在兩個位置，第一個位置是在循環(huán)體的前面，第二個位置安排在循環(huán)體的后面。 如果轉(zhuǎn)移成功，則執(zhí)行循環(huán)體后面的指令，然后返回到循環(huán)體開始；否則，則取消循環(huán)體后面的指令，繼續(xù)執(zhí)行后面的指令。 例子： 調(diào)整前 調(diào)整后 loop: X X X X X X Y Y Y loop: Y Y Y …… …… Z Z Z Z Z Z cmp r1, r2, loop cmp r1, r2, loop W W W X X X W W W 效果： 能夠使指令流水線在絕大多數(shù)情況下不斷流，由于絕大多數(shù)情況下，轉(zhuǎn)移是成功的。 (2) 向前轉(zhuǎn)移 (ifthen) 實現(xiàn)方法：如果轉(zhuǎn)移不成功執(zhí)行下條指令，否則取消下條指令。 例子： R R R …… S S S 。If部分的程序代碼 cmp r1, r2, thru 。若轉(zhuǎn)移，則取消 TTT T T T 。若不轉(zhuǎn)移，則執(zhí)行 TTT …… 。Then部分的程序代碼 …… U U U 。Then部分的程序代碼 thru: VVV 效果： 成功與不成功的概率通常各為 50% (3) 隱含轉(zhuǎn)移技術(shù) 應(yīng)用場合： 用于 if..then..結(jié)構(gòu)，且 then部分只有一條指令 實現(xiàn)方法： 把 IF的條件取反，如果取反后的條件成立則取消下條指令，否則執(zhí)行下條指令。 例子： if (ab) then b=b+1 cmp =, ra, rb 。若 (ra)=(rb)則取消 下條指令 inc rb 重疊寄存器窗口技術(shù) （ Overlapping Register Window） 原因： RISC中，子程序比 CISC中多因傳送參數(shù)而訪問存儲器的信息量很大 美國加洲大學(xué)伯克利分校的 F .Baskett提出 實現(xiàn)方法： 設(shè)置一個數(shù)量比較大的寄存器堆，并把它 例子： if (ab) then b=b+1 cmp =, ra, rb 。若 (ra)=(rb)則取消 下條指令 inc rb 重疊寄存器窗口技術(shù) （ Overlapping Register Window） 原因： RISC中，子程序比 CISC中多因傳送參數(shù)而訪問存儲器的信息量很大 美國加洲大學(xué)伯克利分校的 F .Baskett提出 實現(xiàn)方法： 設(shè)置一個數(shù)量比較大的寄存器堆，并把它 劃分成很多個窗口。在每個過程使用的幾個窗口中有一個窗口是與前一個過程共用，還有個窗口是與下一個過程共用 SUN公司 的 Sparc、 SuperSparc、 UtraSparc處理機(jī)，把最后一個過程與第一個過程的公用寄存器重疊起來，形成一個循環(huán)圈 效果： 可以減少大量的訪存操作。另外，要在主存中開辟一個堆棧，當(dāng)調(diào)用層數(shù)超過規(guī)定層數(shù)（寄存器溢出）時，把溢出部分的寄存器中內(nèi)容壓入堆棧。 例子： （在 RISC II中采用的方法） A局部寄存器 B局部寄存器 AB公用寄存器 BC公用寄存器 C局部寄存器 CD公用寄存器 …… 全局寄存器 0 9 10 84 89 83 90 99 100 105 106 115 116 121 122 131 132 137 物理寄存器 0 傳送參數(shù) A局部寄存器 傳送參數(shù) 傳送參數(shù) B局部寄存器 傳送參數(shù) 傳送參數(shù) C局部寄存器 傳送參數(shù) 局部寄存器 與過程 B合用 全局寄存器 9 10 15 16 25 26 31 與過程 A合用 局部寄存器 與過程 C合用 全局寄存器 與過程 B合用 局部寄存器 全局寄存器 寄存器重疊 寄存器重疊 RISC II溢出次數(shù) 程序名稱 調(diào)用次數(shù) 最大調(diào)用深度 RISC II訪問次數(shù) VAX11訪問次數(shù) 111K (%) 43K (%) Quick Sort Puzzle 10 20 64 124 4K (%) 8K (%) 696K (50%) 444K (28%) 寄存器窗口技術(shù)的效果 MC68000 機(jī)器類型 VAX11 PDP11 RISC II 5 執(zhí)行指 令條數(shù) 19 9 6 過程調(diào)用所需開銷的比較 26 執(zhí)行時 間 (?s) 22 19 2 10 訪問內(nèi) 存次數(shù) 15 12 注： Quick sort程序的調(diào)用次數(shù)多，深度 不大，而 Puzzle程序正好相反。 指令流調(diào)整技術(shù) 目標(biāo)： 通過變量重新命名消除數(shù)據(jù)相關(guān)，提高流水線執(zhí)行效率 例子： 調(diào)整后的指令序列比原指令序列的執(zhí)行速度快一倍 add r1, r2, r3 add r1, r2, r3 add r3, r4, r5 mul r6, r7, r0 mul r6, r7, r3 add r3, r4, r5 mul r3, r8, r9 mul r0, r8, r9 調(diào)整前 調(diào)整后 以硬件為主固件為輔 固件的 主要缺點 是：執(zhí)行速度低 主要優(yōu)點是： 便于實現(xiàn)復(fù)雜指令，便于修改指令系統(tǒng) 以 硬聯(lián)邏輯為主 來實現(xiàn)指令系統(tǒng) 對于復(fù)雜指令，也使用微程序技術(shù)實現(xiàn)。 RISC優(yōu)化編譯技術(shù) RISC對編譯器帶來的方便主要有： 指令系統(tǒng)比較簡單、對稱、均勻，指令選擇工作簡單 選擇尋址方式的工作簡單，省去了是否生成訪問存儲器指令的選擇工作 用于大多數(shù)指令在一個周期內(nèi)執(zhí)行完成，為編譯器調(diào)整指令序列提供了極大的方便 RISC對編譯器造成的困難主要有： 必須精心安排每一個寄存器的用法，以便充分發(fā)揮每一個通用寄存器的效率，盡量減少訪問主存儲器的次數(shù) 做數(shù)據(jù)和控制相關(guān)性分析，要調(diào)整指令的執(zhí)行序列，并與硬件相配合實現(xiàn)指令延遲技術(shù)和指令取消技術(shù)等 要設(shè)計復(fù)雜的子程序庫， RISC的子程序庫通常要比 CISC的子程序庫大得多 本 章 重 點 浮點數(shù)的性質(zhì)和設(shè)計方法 自定義數(shù)據(jù)表示方法的原理 尋址方式的選擇方法 指令格式的優(yōu)化設(shè)計 RISC思想 RISC的關(guān)鍵技術(shù) 練習(xí)題： 2 .3